【摘要】：固體氧化物燃料電池(SOFC)作為一種氧濃差電池,是通過傳遞氧離子將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的全固態(tài)新型發(fā)電裝置。得益于高反應(yīng)活性的氧離子,SOFC具有能量轉(zhuǎn)換率高、燃料適用范圍廣等優(yōu)勢。直接碳固體氧化物燃料電池(DC-SOFC)是直接使用固體碳為燃料的SOFC,既具有固體碳能量密度高、來源豐富廣泛、成本低廉等優(yōu)點,也結(jié)合SOFC全固態(tài)結(jié)構(gòu)、燃料適用范圍廣、無須任何高溫液態(tài)介質(zhì)等優(yōu)勢。本論文圍繞DC-SOFC的陽極反應(yīng)機理和應(yīng)用不同碳源燃料的電池性能而展開,致力于為DC-SOFC的實際應(yīng)用提供技術(shù)支持和理論依據(jù)。首先,對DC-SOFC陽極反應(yīng)動力學(xué)方面進行初步研究,為DC-SOFC的可行性和自維持性提供反應(yīng)動力學(xué)方面的理論依據(jù)。在此基礎(chǔ)上,探索碳燃料氣化反應(yīng)催化劑種類、擔(dān)載量、擔(dān)載方式等因素對電池性能和穩(wěn)定性的影響。發(fā)現(xiàn)了一種適用于DC-SOFC的天然擔(dān)載催化劑的高性能生物質(zhì)碳燃料,設(shè)計了以廢棄塑料為燃料的SOFC系統(tǒng),并得到理想的輸出性能,拓展了SOFC的燃料適用范圍,對SOFC的實際應(yīng)用有指導(dǎo)作用。對DC-SOFC陽極反應(yīng)動力學(xué)進行了初步研究。通過浸漬-提拉法制備管狀YSZ電解質(zhì)支撐的SOFC,其電池結(jié)構(gòu)為Ag-GDC/YSZ/Ag-GDC。通過設(shè)計尾氣檢測系統(tǒng)對正在運行中的DC-SOFC產(chǎn)生的尾氣流速和成分進行在線檢測。研究結(jié)果表明,CO在陽極上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)被消耗,CO2在碳燃料上發(fā)生Boudouard反應(yīng)產(chǎn)生CO;電池的工作電流越大,CO的消耗速率和產(chǎn)生速率也越大。CO的消耗速率可以通過設(shè)定恒定的放電電流來控制為定值,然而CO的產(chǎn)生速率卻因碳的不斷消耗而逐漸減小。當(dāng)CO的產(chǎn)生速率減小到小于CO的消耗速率時,電池停止工作。對800?C時DC-SOFC陽極室內(nèi)碳燃料到陽極間1 cm范圍內(nèi)的CO和CO2的互擴散速率進行了初步估算,發(fā)現(xiàn)在運行電流為1 A cm-2的電流密度下工作時,CO和CO2的擴散速率足以維持DC-SOFC連續(xù)運行,或者說,由于氣體擴散速率對電池性能的阻礙作用可忽略不計。針對DC-SOFC的應(yīng)用,成功開發(fā)了一種用作DC-SOFC燃料的擔(dān)載Fe催化劑的活性炭制備技術(shù),稱為濕法造粒技術(shù)。這種技術(shù)具有成本低廉、環(huán)境友好、能耗低、簡單快速等顯著優(yōu)點。具體是通過在碳和氧化鐵粉末中添加適量的聚乙烯醇縮丁醛乙醇溶液作為粘結(jié)劑,經(jīng)過混合、干燥,得到催化劑分布均勻的活性炭燃料。采用壓片法制備扣式Y(jié)SZ電解質(zhì)支撐DC-SOFC,對比了分別以濕法造粒工藝和離子浸漬工藝制備的Fe擔(dān)載活性炭為燃料的DC-SOFCs的性能和放電穩(wěn)定性。結(jié)果表明,濕法造粒法制備的Fe擔(dān)載活性炭對應(yīng)的DC-SOFC性能可與傳統(tǒng)離子浸漬法制備的Fe擔(dān)載活性炭相媲美,且電池的放電時間和燃料利用率優(yōu)于后者。從而表明濕法造粒技術(shù)是一種有利于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)催化劑負載碳燃料的技術(shù),對DC-SOFC的廣泛應(yīng)用有重要的推動作用。為進一步拓展DC-SOFC的材料使用范圍、降低成本、提高DC-SOFC的輸出性能和燃料利用率,我們探索了以不同Ca擔(dān)載量的活性炭為燃料的DC-SOFCs的電化學(xué)性能,并研究了Ca擔(dān)載量對電池燃料利用率的影響。結(jié)果表明,5 wt.%Ca擔(dān)載量的活性炭對應(yīng)的DC-SOFC的輸出性能、放電壽命和燃料利用率遠優(yōu)于相同擔(dān)載量的Fe擔(dān)載活性炭DC-SOFC,說明作為DC-SOFC碳燃料的催化劑,Ca的催化效果要優(yōu)越于Fe。在將生物質(zhì)炭應(yīng)用于DC-SOFC燃料方面也做了探討。將紫荊樹葉碳化后用于DC-SOFC,最大功率密度在850oC下達到209 mW cm-2,甚至略高于目前報道的性能最佳的采用5 wt%Fe負載的活性碳(197 mW cm-2)的DC-SOFC。XRD,TG-DTA和EDX結(jié)果表明該樹葉碳中存在大量的Ca CO3和少量的K和Mg元素,這些堿金屬和堿土金屬對Boudouard反應(yīng)有重要的催化效果,提高了電池的輸出性能,其天然分布的形式也對電池性能有重要影響。為拓展SOFC的燃料適用范圍,采用一次性塑料飯盒作為廢棄塑料的研究對象,通過兩步法(熱解-氣化過程),成功研制了以廢棄塑料為燃料的SOFC系統(tǒng),得到優(yōu)越的輸出性能(173 mW cm-2,800?C),其性能甚至優(yōu)于以氫氣為燃料的SOFC(154 m W cm-2,800?C)。研究結(jié)果表明,裂解催化劑對電池性能和穩(wěn)定性具有重要作用。對電池和熱解催化劑的微觀結(jié)構(gòu),廢棄塑料的熱解產(chǎn)物,電池的輸出性能、阻抗譜圖、放電特性以及燃料利用率都作了系統(tǒng)分析�？傊�,通過上述研究工作,從理論上為DC-SOFC的自維持性給出了初步依據(jù),特別對碳燃料的制備、催化劑的選擇、不同的碳源等進行了系統(tǒng)的研究,為將DC-SOFC開發(fā)為低成本、高性能、環(huán)境友好的新型發(fā)電裝置提供了重要的理論和實驗依據(jù)及技術(shù)儲備。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O643.36;TM911.4

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